Gleichstrom bekommt eine zweite Chance

Das Verhältnis zwischen Gleichstrom und Wechselstrom ist spannungsgeladen – auch auf der psychologischen Ebene. Dabei könnten bald beide Systeme nebeneinander genutzt werden. Die Sicherheit muss aber im Auge behalten werden. (Martin Arnold)

1890 kam es in den USA zum Streit zwischen Thomas Alva Edison, der Gleichspannung favorisierte, und George Westinghouse sowie seinem Mitarbeiter Nikola Tesla, die sich für Wechselspannung einsetzten. Es war die erste grosse Auseinandersetzung um einen technischen Standard in der Industriegeschichte, den Westinghouse mit seiner Wechselspannung für sich entschied. Danach setzte AC zum Siegeszug um die Welt an. Trotzdem wurde nie ganz auf DC verzichtet. So wurde bereits 1939 zwischen Zürich und Wettingen eine 20 Kilometer lange Hochspannungsgleichstrom-Übertragungsleitung mit einem Quecksilberdampfgleichrichter gebaut. Es war eine Versuchsanlage der damaligen Brown Boveri & Cie. (BBC). Seit der Jahrtausendwende scheinen nun DC-Systeme ein Comeback zu erleben. Mit einem Gleichstromnetz könnten fünf bis zehn Prozent Energie eingespart werden. Wenn man Netto-Null-Energiehäuser bauen will, wie dies auch die EU fordert, spielt diese Einsparung eine Rolle. In Europa gibt es deshalb immer mehr Gleichstromleitungen.

Batterien als Schnellenergielieferanten

Die wachsende Produktion aus erneuerbaren Energien verändert die europäische und schweizerische Energielandschaft. Um die Sicherheit zu gewährleisten, muss die Netzinfrastruktur ausgebaut werden. Für die Energiewende spielt Swissgrid eine Schlüsselrolle. Zum Ausbau gehören beispielsweise neben dem Transformatorenausbau in Mühleberg zusätzliche leistungsfähige Transformatoren, um die Stromimportkapazität zu steigern. Sie erlauben die Nutzung von Energie aus neuen Quellen. Hinzu kommen zwei 380-kV-Leitungen für den Transport der Wasserenergie aus dem Wallis in die Verbraucherzentren. Mediensprecher Christian Schwarz drückt beim Ausbau und der Modernisierung des Netzes auf das Tempo: «Die geplanten Projekte müssen ohne Verzug umgesetzt werden können, damit die Versorgungssicherheit gewährleistet bleibt und die Schweiz ihren Beitrag zur Energiewende leisten kann.»

Dieser Quecksilberdampfgleichrichter wurde für die Zugspitzbahn eingesetzt: Die Gleichstromübertragung ist ein technisches Werk voller Schönheit. (Bild: Museum für Energiegeschichte, Hannover) Dieser Quecksilberdampfgleichrichter wurde für die Zugspitzbahn eingesetzt: Die Gleichstromübertragung ist ein technisches Werk voller Schönheit. (Bild: Museum für Energiegeschichte, Hannover)

Beachtliches Speicherpotenzial

Netzschwankungen werden mit einer dreistufigen Strategie aufgefangen – und zwar europaweit synchron. Auf der primären Stufe müssen Überschüsse oder eine Unterversorgung innerhalb von 30 Sekunden, auf der zweiten Stufe innerhalb von 5 Minuten und auf der dritten Stufe innerhalb von 15 Minuten ausgeglichen werden. Für die erste Stufe kommen zwar Pumpspeicherkraftwerke infrage. Viel schneller reagieren jedoch Batteriespeicher auf Netzschwankungen. Marina González Vayá leitet die Entwicklung Smart Solutions bei den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ). In Volketswil steht mit 18 Megawatt der bisher grösste Batteriespeicher der Schweiz. Er arbeitet auf Lithium-Ionen-Basis. «Die Batterie reagiert relativ schnell auf Frequenzabweichungen im Netz und kann in 500 Millisekunden von Ladung auf Abgabe umschalten», erklärt Marina González Vayá. Jedes Land ist verpflichtet, einen Beitrag zur Primärregelung zu leisten. Für die Schweiz sind dies 62 Megawatt. Bisher setzt die Schweiz auf Wasserkraft, auch wenn es Fortschritte bei Batterien gibt. Da Produktionsanlagen von erneuerbaren Energien, aber auch Speichersysteme ohne Wandler direkt an ein Gleichstromnetz angeschlossen werden könnten, reduziert dies Verluste und spart Kosten. Grosse Firmen wie Siemens erkennen das Potenzial. Gemeinsam mit anderen Unternehmen erforschte der Konzern 2015 in einem europaweiten Projekt, ob künftig Gleichstrom parallel zu Wechselstrom in Gebäuden fliessen könnte, um Energie zu sparen. Ausserdem verspricht sich Siemens davon Vorteile für die Netzstabilität.

Der Batteriespeicher der EKZ spielt eine wichtige Rolle für die primäre Versorgungsstufe. Bild: EKZ Der Batteriespeicher der EKZ spielt eine wichtige Rolle für die primäre Versorgungsstufe. Bild: EKZ

Energiesparpotenzial ist erkannt

Weil sich der Markterfolg von DC zunehmend einstellt, werden Normen wichtig, um den Innovationen einen Rahmen zu geben. Der Deutsche Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) widmet sich diesem Thema. Er legte für DC-Systeme eine neue Normungs-Roadmap auf. Diese gilt auch für Gebäudeinstallationen, bei denen neben einem Wechselspannungsnetz eine Gleichstrominfrastruktur denkbar ist. Zudem wird immer häufiger Gleichstrom eingesetzt, wo bisher Wechselstrom üblich gewesen war – etwa bei Beleuchtungsanlagen, Rechenzentren und Industrieanwendungen. Ausserdem entwickeln immer mehr Techniker Gleichstromnetze im Mikrobereich. In Deutschland wurden Sicherheitskonzepte für Gleichstrominstallationen vernachlässigt. Das wird nun zum Thema, sowohl auf der Netz- wie auch auf der Verbraucherseite. Im Forschungsprojekt «DC-Industrie» suchen die Teilnehmenden nach einer DC-versorgten Produktion, die «robust ist hinsichtlich schwankender Netzqualität, auf die sie flexibel reagieren kann». Gleichzeitig arbeiten spezialisierte Firmen im Projekt «DC-Schutzorgane» an einem ganzheitlichen Schutzkonzept für moderne Gleichstromnetze.

Natürlich schützen immer feinere und schneller auslösende Komponenten die Netzinfrastruktur zwischen Kraftwerk und Konsumenten. Aber auch die Quellen nahe bei den Nutzern, etwa PV-Anlagen und elektrische Energiespeicher, sollen mit Gleichstrom-Schutzvorrichtungen versehen werden. In der Schweiz beschäftigt sich der SIA mit der Normierung der Infrastruktur in Gebäuden, in die Gleichstrom eingebettet ist oder wird. Electrosuisse beteiligt sich in mehreren breit abgestützten technischen Komitees mit Gleichstrom. Josef Schmucki ist Projektleiter bei Electrosuisse und zuständig für Normierungsfragen. Er sagt: «Das Interesse an Gleichstrom nimmt zu. Das Energiesparpotenzial ist erkannt, viele im Zusammenhang mit der Energiewende und der modernen Kommunikationstechnologie verwendete Geräte und Anlagen benötigen Gleichstrom. Deshalb sind Normen nötig.» Normen sind keine Selbstläufer. Eine Mehrheit der Mitglieder des in diesem Fall für Gleichstrom zuständigen sogenannten Systemkomitees SyC LVDC bei IEC muss einverstanden sein, beispielsweise einen Stecker für DC-Anwendungen zu normieren. Sie kann international entwickelt werden, oder aber national, falls die anderen Länder keinen Bedarf für eine spezifische Norm erkennen. Josef Schmucki: «Je mehr Innovation in der Gleichstromtechnik entsteht, desto mehr Normierungsfragen werden auftauchen.»